一种自测距三波长三维激光测速装置及方法

技术领域

本发明涉及一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

物质处于永恒的运动之中，因而，运动参数的测量是人类社会生产实践活动中的基本需求之一，通常，其涉及速度、位移、加速度三个运动参量的测量，三者均属于运动参量的表征方式。它们之间既有区别，又有联系，位移量属于速度量的积分，加速度量则是速度量的微分。有了其中之一，就可以通过计算和初始条件限定，获得另外两者。

由于运动中的物体的轨迹可以有直线、平面曲线、三维空间曲线等不同形式，相应地，导致物体运动速度有一维直线速度、二维平面曲线速度、三维空间曲线速度的测量与表征方式，并且研究发展了相适应的传感器和传感器组完成相应功能。

通常，运动测量传感器中，使用惯性原理进行运动加速度测量，进而获得运动速度和运动位移。它客观上需要将传感器安装到运动物体上，由此产生了安装传感器引起的众多问题，对于轻、薄、小、软等众多物体的运动速度，无法使用传感器方法进行有效测量。

激光测振仪是一种通用、基础性振动、冲击测量仪器，可用于运动速度、位移、加速度的测量，属于具有高精度、非接触、对被测对象无附加干扰和影响的测量仪器，其测量机理是使用了相对运动物体之间的激光多普勒效应。由于激光善于走直线，而不能拐弯，通常用于一维直线运动的速度、位移和加速度的测量，并且要求，测量过程中，运动速度方向要与测量激光相互平行或垂直，否则会带来额外测量误差。

对于具有空间曲线轨迹运动的三维运动速度的测量，往往使用三组相互正交的激光测振仪同时执行测量，然后进行矢量合成方式获得合成速度。由此产生的问题是，三组相互正交的测速激光，由于空间遮挡等限制，很难照射到同一目标点上，因而造成测量局限性和由此产生的测量误差，极大限制了其应用场合与应用对象。因此，三维激光测速成为运动测量中的一个难点问题。

发明内容

针对三维激光测速中存在的空间遮挡问题，以及测量激光不能走曲线，只能走直线的特点，本发明的目的是提供一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，构建出相互正交的三个空间方向的运动速度测量部分，将被测对象的空间运动速度分解为相互正交的三个方向的速度分量，分别使用不同波长的测量激光执行同步测量，再合成形成三维运动速度的测量结果输出，从而实现三维运动速度的测量。

对于三个激光波长，本发明采用共光路测量方式，使用不同参数的衍射光学元件DOE，用于不同波长激光的分离和提取，并保障它们在测量过程中不互相干扰，获得完全相互独立的三维测量结果。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、隔离器、开关、偏振分光镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、被测对象、第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜、第一布拉格盒、第二布拉格盒、第三布拉格盒、反射镜、短波通光栅衍射器件、长波通光栅衍射器件、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集系统、电子计算机。

定义被测对象位于O点，第一棱镜位于C点，第二棱镜位于D点。O点、C点、D点形成等腰三角形，B点位于C点、D点的中点。第三棱镜位于E点，第四棱镜位于F点。O点、E点、F点形成等腰三角形，B点也位于E点、F点的中点。O点、C点、D点三点所确定的平面与O点、E点、F点三点所确定的平面垂直。偏振分光镜位于G点。O点、B点、G点在一条直线上。

BO方向为x方向；BE方向为y方向；BC方向为z方向。

沿O点、B点、G点轴线上依次布设有开关、隔离器、第三激光器。反射镜位于H点。

几何关系满足如下约束条件：CD⊥OB，BC＝BD；EF⊥OB，BE＝BF；CD⊥EF；光程长度GB＝GH；B为CD与GO的交点；B为EF与GO的交点；

第三布拉格盒位于G点和H点轴线上。第一布拉格盒位于第一分光棱镜与第一棱镜形成的光路上。第二布拉格盒位于第二分光棱镜与第三棱镜形成的光路上。第二透镜位于第二激光器与第二分光棱镜形成的光路上。第一透镜位于第一激光器与第一分光棱镜之间。电子计算机与数据采集系统之间进行数据传输。数据采集系统用于采集第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器的探测信息。第四透镜位于第一光电探测器与短波通光栅衍射器件形成的光路之间。第五透镜位于第二光电探测器与长波通光栅衍射器件形成的光路之间。第六透镜位于第三光电探测器与长波通光栅衍射器件形成的光路之间。

本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速方法，基于所述一种自测距三波长三维激光测速装置实现。所述一种自测距三波长三维激光测速方法为：

1)距离测量；

由第三激光器输出波长为λ

一束参考激光经过第三布拉格盒，然后，经过反射镜反射回来，再次经过第三布拉格盒，穿过偏振分光镜与另一束测量激光合束；

另一束测量激光穿过第三透镜，到达被测对象，经被测对象反射回来后，再次穿过第三透镜，被偏振分光镜反射，与前一束参考激光合束。

参考激光与测量激光这两束激光合束后，先后穿过短波通光栅衍射器件、长波通光栅衍射器件，经过第六透镜聚焦，通过第三光电探测器，探测到包含参考光反射光脉冲和测量光反射光脉冲的双脉冲信号波形，该双脉冲信号波形经过数据采集系统进行数据采集后，通过电子计算机进行测量运算，获得该双脉冲之间的时间差Δτ，即为测量光与参考光之间的光程差2L

其中，c为光速；

2)z方向速度测量；

由第一激光器输出的波长为λ

第一束激光经过第一布拉格盒产生固定频移Δf

第二束激光通过第二棱镜后，照射到被测对象上，经被测对象反射回来后，与第一束激光合束。

第一、第二两束激光合束后，穿过第三透镜，被偏振分光镜反射，到达短波通光栅衍射器件，经短波通光栅衍射器件反射，通过第四透镜聚焦产生干涉，被第一光电探测器探测到包含被测对象的z方向运动速度分量v

其中，v

3)y方向速度测量；

由第二激光器输出的波长为λ

第1束激光经过第二布拉格盒产生固定频移Δf

第2束激光通过第四棱镜后，照射到被测对象上，经被测对象反射回来后，与第1束激光合束。

第1、第2两束激光合束后，穿过第三透镜，被偏振分光镜反射，穿过短波通光栅衍射器件，到达长波通光栅衍射器件，经长波通光栅衍射器件反射，经过第五透镜聚焦产生干涉，通过第二光电探测器，探测到包含被测对象的y方向运动速度分量v

其中，v

4)x方向速度测量；

由第三激光器输出的波长为λ

一束参考激光经过第三布拉格盒产生固定频移Δf

另一束测量激光穿过第三透镜，到达被测对象，经被测对象反射回来后，再次穿过第三透镜，经过偏振分光镜反射，与前一束参考激光合束。

两束激光合束后，先后穿过短波通光栅衍射器件、长波通光栅衍射器件，经过第六透镜聚焦产生干涉，通过第三光电探测器，探测到包含被测对象的x方向运动速度分量v

其中，v

5)三维速度测量；

测得x、y、z三个方向的速度分量v

即实现自测距三波长三维激光测速。

进一步，使用三个不同波长激光的共光路布局，避免三维激光测速中的遮挡问题，用相互垂直的三个方向的速度分量合成，以获得任意方向上的运动速度测量值。

进一步，所用的三个不同波长激光的速度测量方法，均采用外差式测量方法，同时给出速度幅值和方向信息。

进一步，所用的三个不同波长激光的波长λ

λ

进一步，所使用的数据采集系统，其各个采集通道的信号波形是同步采集。

有益效果：

1、本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，使用共光路的三个波长激光，分别测量运动目标对象在相互垂直的三个方向的运动速度分量，然后合成运动目标的三维运动速度，实现自测距三波长三维激光测速。

2、由于激光多普勒频移测距法需要用到距离参量，本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，采用自测距方式首先对于被测目标的距离进行测量，再测速的方式予以解决，能够适应不同距离条件下的三维速度测量。

3、本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，通过三个不同波长激光的共光路布局，避免三维激光测速中的遮挡问题，并且能够获得任意方向上的运动速度测量值，无需有运动目标必须与测量光垂直或平行的测量要求。

4、本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，通过相互正交的空间光路布局，将三维运动速度测量的复杂问题简化为三个方向上的一维简单问题进行处理，并且三个方向可以互相独立，没有互相干扰的问题。

5、本发明公开的一种自测距三波长三维激光测速装置及方法，在三个方向上，均使用外差式测量，能够同时给出速度的幅度和方向，完整表征其矢量特性。

附图说明

图1为本发明的一种自测距三波长三维激光测速装置的结构示意图。

其中：1—第一激光器、2—第一透镜、3—第一分光棱镜、4—第二激光器、5—第二透镜、6—第二分光棱镜、7—第三激光器、8—隔离器、9—开关、10—偏振分光镜、11—第三透镜、12—被测对象、13—第一棱镜、14—第二棱镜、15—第三棱镜、16—第四棱镜、17—反射镜、18—第一布拉格盒、19—第二布拉格盒、20—第三布拉格盒、21—短波通光栅衍射器件、22—长波通光栅衍射器件、23—第四透镜、24—第五透镜、25—第六透镜、26—第一光电探测器、27—第二光电探测器、28—第三光电探测器、29—数据采集系统、30—电子计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例公开的一种自测距三波长三维激光测速装置，包括第一激光器1、第二激光器4、第三激光器7、第一分光棱镜3、第二分光棱镜6、隔离器8、开关9、偏振分光镜10、第一透镜2、第二透镜5、第三透镜11、第四透镜23、第五透镜24、第六透镜25、被测对象12、第一棱镜13、第二棱镜14、第三棱镜15、第四棱镜16、第一布拉格盒18、第二布拉格盒19、第三布拉格盒20、反射镜17、短波通光栅衍射器件21、长波通光栅衍射器件22、第一光电探测器26、第二光电探测器27、第三光电探测器28、数据采集系统29、电子计算机30。

选定第一激光器1激光波长1550nm，第二激光器4激光波长632.8nm，、第三激光器7激光波长780nm。第一布拉格盒18固定频移Δf

定义被测对象12位于O点，第一棱镜13位于C点，第二棱镜14位于D点。O点、C点、D点形成等腰三角形，B点位于C点、D点的中点。第三棱镜15位于E点，第四棱镜16位于F点。O点、E点、F点形成等腰三角形，B点也位于E点、F点的中点。O点、C点、D点三点所确定的平面与O点、E点、F点三点所确定的平面垂直。偏振分光镜10位于G点。O点、B点、G点在一条直线上。

沿O点、B点、G点轴线上依次布设有开关9、隔离器8、第三激光器7。反射镜17位于H点。

BO方向为x方向；BE方向为y方向；BC方向为z方向。

几何关系满足如下约束条件：CD⊥OB，BC＝BD；EF⊥OB，BE＝BF；CD⊥EF；光程长度GB＝GH；B为CD与GO的交点；B也为EF与GO的交点；

第三布拉格盒20位于G点和H点轴线上。第一布拉格盒18位于第一分光棱镜3与第一棱镜13形成的光路上。第二布拉格盒19位于第二分光棱镜6与第三棱镜15形成的光路上。第二透镜5位于第二激光器4与第二分光棱镜6形成的光路上。第一透镜2位于第一激光器1与第一分光棱镜3之间。电子计算机30与数据采集系统29之间进行数据传输。数据采集系统29用于采集第一光电探测器26、第二光电探测器27、第三光电探测器28的探测信息。第四透镜23位于第一光电探测器26与短波通光栅衍射器件21形成的光路之间。第五透镜24位于第二光电探测器27与长波通光栅衍射器件22形成的光路之间。第六透镜25位于第三光电探测器28与长波通光栅衍射器件22形成的光路之间。

本实施例公开的一种自测距三波长三维激光测速方法为：

1)距离测量；

由第三激光器7输出波长为λ

一束参考激光经过第三布拉格盒20，然后，经过反射镜17反射回来，再次经过第三布拉格盒20，穿过偏振分光镜10与另一束测量激光合束；

另一束测量激光穿过第三透镜11，到达被测对象12，经被测对象12反射回来后，再次穿过第三透镜11，被偏振分光镜10反射，与前一束参考激光合束。

参考激光与测量激光这两束激光合束后，先后穿过短波通光栅衍射器件21、长波通光栅衍射器件22，经过第六透镜25聚焦，通过第三光电探测器28，探测到包含参考光反射光脉冲和测量光反射光脉冲的双脉冲信号波形，该双脉冲信号波形经过数据采集系统29进行数据采集后，通过电子计算机30进行测量运算，获得该双脉冲之间的时间差Δτ，即为测量光与参考光之间的光程差2L

其中，c为光速；

2)z方向速度测量；

由第一激光器1输出的波长为λ

第一束激光经过第一布拉格盒18产生固定频移Δf

第二束激光通过第二棱镜14后，照射到被测对象12上，经被测对象12反射回来后，与第一束激光合束。

第一、第二两束激光合束后，穿过第三透镜11，被偏振分光镜10反射，到达短波通光栅衍射器件21，经短波通光栅衍射器件21反射，通过第四透镜23聚焦产生干涉，被第一光电探测器26探测到包含被测对象12的z方向运动速度分量v

其中，v

3)y方向速度测量；

由第二激光器4输出的波长为λ

第1束激光经过第二布拉格盒19产生固定频移Δf

第2束激光通过第四棱镜16后，照射到被测对象12上，经被测对象12反射回来后，与第1束激光合束。

第1、第2两束激光合束后，穿过第三透镜11，被偏振分光镜10反射，穿过短波通光栅衍射器件21，到达长波通光栅衍射器件22，经长波通光栅衍射器件22反射，经过第五透镜24聚焦产生干涉，通过第二光电探测器27，探测到包含被测对象12的y方向运动速度分量v

其中，v

4)x方向速度测量；

由第三激光器7输出的波长为λ

一束参考激光经过第三布拉格盒20产生固定频移Δf

另一束测量激光穿过第三透镜11，到达被测对象12，经被测对象12反射回来后，再次穿过第三透镜11，经过偏振分光镜10反射，与前一束参考激光合束。

两束激光合束后，先后穿过短波通光栅衍射器件21、长波通光栅衍射器件22，经过第六透镜25聚焦产生干涉，通过第三光电探测器28，探测到包含被测对象12的x方向运动速度分量v

其中，v

5)三维速度测量；

测得上述x、y、z三个方向的速度分量v

即实现自测距三波长三维激光测速。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。